imported>Aka: /* Bildbasierte Methode */ Durchkopplung

2021-08-30T17:36:22Z

Bildbasierte Methode: Durchkopplung

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'''Bildbasiertes Meshing''' bezeichnet den automatisierten Prozess, vereinfachte Oberflächenbeschreibungen aus dreidimensionalen Bilddateien zu erstellen, ohne eine vorherige Rekonstruktion der Oberfläche durchzuführen. Bilddateien, die beispielsweise durch [[Magnetresonanztomographie]] (MRI), [[Computertomographie]] (CT) oder [[Mikrotomographie]] erstellt worden sind, können durch dieses Verfahren in ein Computermodell überführt werden, das beispielsweise in der [[Numerische Strömungsmechanik|numerischen Strömungsmechanik]] oder [[Finite-Elemente-Methode|Finite-Elemente-Analyse]] weiterverarbeitet werden kann.

== Mesh-Erstellung aus einer 3D-Bilddatei ==
Das Erstellen von [[Polygonnetz]]en aus einer dreidimensionalen Bilddatei birgt eine Vielzahl an Herausforderungen, aber auch einzigartige Möglichkeiten, um realistischere und genauere geometrische Beschreibungen von den Definitionsbereichen zu machen. Es gibt generell zwei Methoden, um ein Meshing aus einer 3D-Bilddatei zu erstellen:

=== Oberflächenbasierte Methode ===
Die Mehrheit der bislang verwendeten Methoden arbeiten traditionellerweise mit CAD-Anwendungen, indem ein Zwischenschritt eingebaut wird, bei dem eine Oberflächenrekonstruktion durchgeführt wird, die von traditionellen CAD-basierten Meshing-Algorithmen gefolgt ist<ref>Viceconti et al., 1998. TRI2SOLID: an application of reverse engineering methods to the creation of CAD models of bone segments. Computer Methods and Programs in Biomedicine, 56, 211–220.</ref>. CAD-basierte Methoden verwenden die Scandaten, um die Oberfläche des Arbeitsbereiches zu definieren, und erstellen Elemente innerhalb dieser selbst definierten Grenzen. Obwohl hierfür robuste Algorithmen verfügbar sind, sind diese Techniken oftmals sehr zeitaufwendig und manchmal ist es auch nicht möglich, die komplexen Strukturen von Bilddaten darzustellen. Manchmal ist es auch nicht möglich, ein Polygonnetz von mehr als einem Definitionsbereich zu erstellen, da multiple Oberflächen Spalten und Überlappungen an Grenzflächen erzeugen können, wenn mehrere Strukturen aufeinandertreffen<ref name="Young 2008">Young et al., 2008. An efficient approach to converting 3D image data into highly accurate computational models. ''Philosophical Transactions of the Royal Society A'', 366, 3155–3173.</ref>.

=== Bildbasierte Methode ===
Dies ist eine direktere Methode zur Mesh-Erstellung, da geometrische Detektion und Mesh-Erstellungsphasen in einem Ablauf kombiniert werden, was zu robusteren und genaueren Resultaten als Meshing von Oberflächendaten führt. Das am häufigsten verwendete Meshing-Verfahren ist die [[Voxel]]-Konversion-Technik, die Meshes mit Ziegelelementen generiert<ref>Fyhrie et al., 1993. The probability distribution of trabecular level strains for vertebral cancellous bone. Transactions of the 39th Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society, San Francisco.</ref> und der [[Marching Cubes|Marching-Cubes]]-Algorithmus, der Meshes mit vierflächigen Elementen generiert<ref>Frey et al., 1994. Fully automatic mesh generation for 3-D domains based upon voxel sets. ''International Journal of Methods in Engineering'', 37, 2735–2753.</ref>. Eine neue verbesserte volumetrische Marching Cubes-Methode generiert vier- oder sechsflächige 3D-Elemente durch das Volumen des Definitionsbereichs und erstellt dadurch direkt den Mesh mit mehrteiligen Oberflächen. Falls komplexe Strukturen mit möglicherweise hunderten unverbundenen Definitionsbereichen modelliert werden sollen, ist diese Vorgangsweise viel einfacher, effektiver, robuster und genauer<ref name="Young 2008"/>.

== Erstellung eines Modells ==
Um ein 3D-Bild-basiertes Modell zu erstellen, sind folgende Schritte notwendig:

=== Scan und Bildverarbeitung ===
Eine Vielzahl an Bildverarbeitungs-Programmen können verwendet werden, um sehr genaue 3D-Bild-basierte Modelle zu erhalten, z. B. MRI, CT, MicroCT, (XMT) und Ultrasound. Von besonderem Interesse kann dabei sein:
* [[Segmentierung (Bildverarbeitung)|Segmentierung]] (z. B. Schwellenwertverfahren, Level-Set-Methoden …)
* Filter und [[Glätten (Mathematik)|Glättung]] (z. B. volumen- und strukturerhaltendes Glätten)

=== Volumen- und Oberflächen-Mesh-Erstellung ===
Bildbasiertes Meshing ermöglicht eine direkte Erstellung von Meshes aus segmentierten 3D-Daten. Von besonderem Interesse kann dabei sein:
* Multi-Part-Meshing (Mesh von jeglichen Strukturen gleichzeitig)
* Abbildungen um Materialeigenschaften basierend auf Signalstärke abzubilden (z. B. [[Elastizitätsmodul]] oder [[Hounsfield-Skala]])
* Glätten von Meshes (z. B. Erhaltung der Struktur von Daten, um die Konnektivität zu erhalten, und volumenneutrales Glätten, um das Schrumpfen von konvexen Ummantelungen zu vermeiden)
* Export von FEA- und CFD-Codes für Analysen (z. B. Knotenpunkte, Elemente, Materialeigenschaften, Kontaktoberflächen)

== Anwendungsbereiche ==
{{Lückenhaft|Wenn hier ein Anwendungsgebiet aufgeführt wird, dann sollte die Verbindung zum Gegenstand des Artikels kurz beschrieben werden. Was soll der Leser z.B. mit dem Hinweis auf Ernährungswissenschaften anfangen? Dort steht nichts über Meshing. [[Benutzer:Dhanyavaada|Dhanyavaada]] 10:28, 12. Nov. 2009 (CET)}}
* Biomechanik und das Design von medizinischen und zahnmedizinischen Implantaten
* Ernährungswissenschaft
* Forensik
* Materialwissenschaft (Verbund- und Schaumstoffe)
* Werkstoffprüfung
* Paläontologie und Morphologie
* Reverse Engineering
* Bodenkunde und Petrologie

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Numerische Mathematik]]
[[Kategorie:Theorie der Differentialgleichungen]]

Bildbasiertes Meshing - Versionsgeschichte

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